0
Global Lithuanian Net: san-taka station: |
Savaime besiorganizuojantis kvantinis pasaulis
Jau per 100 m. kvantinė mechanika vis sukrečia kažką, ką tikėjomės žiną iš fizikos. Ir tai nesiliauna ir tada, kai paliečiami tikrovės ir realizmo klausimai. Štai, tarkim, kvantinė dalelė neturi konkrečios būsenos, kol jos nestebi (neišmatuoja) kaip pavyzdys, Šriodingerio katės paradoksas. Bet tuo pačiu, išlieka klausimas ir visiems objektams ar objektas turi savybes, kai tos savybės nestebimos?! Tam tikru momentu, tasai esminis klausimas tampa, na, . eee, susietu su papildoma koncepcija, kuri vadinama lokalumu, kuri apibrėžia, ar objektas yra veikiamas kažko didesnio nei jo betarpiška fizinė aplinka. Jei prisideda didesnės arba sudėtingesnės jėgos, tai gali paveikti ir tokius principus kaip priežastingumas ir laisva valia. Garsusis A. Einšteino išsireiškimas baisus poveikis per atstumą visiška priešingybė lokalumui. Netgi gravitacija nėra poveikis per atstumą ją dabar apibrėžia kaip įvairaus galingumo laukų persidengimo rezultatą. Tai atveda prie Hardy paradokso5), kurio pasekmės reiškia, kiek reali yra mūsų Visata ir aplamai, ką reiškia žodis tikrovė. Ir dabar 2024 m. rugpjūtį žurnale Physical Review Letters paskelbtame straipsnyje kinų tyrėjai sakosi radę metodą stebėti tai tiesiogiai, be jokių spragų, kurios sukompromitavo ankstesnius bandymus. Lucien Hardy6) dirba Toronte (Kanada) esančiame Perimetro teorinės fizikos inst-te ir ilgus metus bandė pasiekti ir patikslinti kvantinės fizikos ribas, tame tarpe ir kaip ją paremiantys matematiniai principai sąveikauja su realiomis ir taikomosiomis teorijomis, aprašančiomis mūsų Visatą. 1992-ais jis ėmėsi formuluoti paradoksą, susijusį su el. dalelėmis ir antidalelėmis. Tam tikros sąveikos leidžia joms abiem susikurti numetant priešingomis kryptimis. Tačiau jos skirtos viena kitai ir po trumpo akimirksnio jos susijungia ir susinaikina. Tačiau Hardy pasiūlė scenarijų, kuriame jos gali egzistuoti nesianihiliuodamos.. L. Hardy žinojo, kad tokios sąveikos nustatymai ir matavimai įveda kintamuosius, kurie kelia grėsmę pačios sąveikos vientisumui ir dėl to tokias sąveikas bus galima stebėti tik įvykus, post factum, panaudojant tikimybes, o ne tiesioginį stebėjimą (tai irgi vienas klausimų, kuris iškyla dėl kvantinės fizikos kaip gali tyrinėjimai, kuriuose galioja tik tikimybės, derėti su klasikine fizika, pagrįsta stebėjimais?). Minėti mokslininkai bazuojasi Kinijos rytuose esančio Hefėjaus miesto Mokslo ir technologijų un-te, kur randasi ir branduolinės sintezės tokamakas7) EAST. Jie atliko eksperimentą, kurio esmė yra sudėtinga veidrodžių, lazerių, kristalų, spliterių ir plokštelių sistema, derinama su atsitiktinių skaičių generatoriumi. Siekiant užtikrinti, kad skaičiai tikrai atsitiktiniai, jie buvo generuojami taip greitai, kad jų negalėjo paveikti jokie su lokalumu susiję lokalūs nuslėpti kintamieji. Tyrėjai teigia, kad po 6 val. tos sistemos veikimo, siekiant išskaidyti fotonus ir neutralizuoti bet kokias spragų galimybes, jie galo labai aiškius (nors vis tiek tikimybinius) duomenis ir tikimybė, kad jie gali būti paaiškinti lokaliomis teorijomis yra 10-16348. Tyrinėtojų didžiausias pasiekimas pati eksperimentinė aplinka, kurioje jie išlaikė pakankamą efektyvumą ir tikslumą, leidžiantį išmatuoti reikiamus dalykus pašalinant lokalių kintamųjų poveikį. Tai stiprina augantį sutarimą, kad lokalaus realizmo nepakanka aiškinant neatsakytus kvantinės fizikos klausimus. Eksperimento rezultatai patvirtina lokalios tikrovės nebuvimą, tuo pagrįsdami tų kvantinių reiškinių naudojimą informacijos teorijose bei taikomosiose sistemose tai, kad tie dalykai realūs. Bet ir šių mokslininkų išvada nėra nauja 2022 m. Nobelio premija buvo skirta trim fizikams, panaudojusiems susietus fotonus, kad paneigtų mums žinomą tikrovę. Kvantinė teorija ir bendroji reliatyvumo
teorija gerokai nesutaria. Fizikai bando jas apjungti kvantinės gravitacijos teorijoje tačiau irgi be sėkmės.
Reliatyvumo teorija
apibrėžia, kaip didelių mastelių erdvėlaikis gali įgauti daugybę įvairiausių formų, sukurdamas tai, ką mes suvokiame kaip gravitaciją.
Tuo tarpu kvantinė mechanika aprašo fizikos dėsnius subatominiame lygyje, tačiau ignoruojant gravitacijos aspektus.
Geriausiu kandidatu tų teorijų sujungimui laikoma
superstygų teorija, tačiau ir ji dar neduoda atsakymo į iškilusius
klausimus. Ir netgi dėl savo vidinės logikos ji iškelia netgi gilesnius darinių ir sąryšių lygius ir, tuo pačiu, dar labiau gluminančių išvadų pluoštą.
Tačiau einama ir kitu keliu paimant keletą pagrindinių sudedamųjų, jie sujungiami remiantis gerai žinomais
kvantiniais principais, gerai suplakti, leisti nusistovėti turėsime kvantinį erdvėlaikį.
Paėmus kitaip, jei tuščią erdvėlaikį laikome tarsi kažkokia nematerialia substancija, sudaryta iš didelio kiekio
smulkių, nestruktūrizuotų atplaišų, ir leidžiame tems blokeliams sąveikauti laikantis paprastų gravitacijos ir kvantinės
gravitacijos nustatytų taisyklių, tai jie spontaniškai susirinks į visumą, kuri daugeliu atvejų atrodys kaip mūsų stebima
Visata. Tai panašu į tai, kaip molekulės sudaro kristalines ar amorfines formas.
Tad erdvėlaikis labiau primena kinišką troškinį (angl. stir fry) nei išdabintą vestuvių tortą. Jo privalumas tas,
kad keičiant pradines sąlygas rezultatas keičiasi nežymiai. Ir tas stabilumas teikia vilčių panašus saviorganizacijos
principai veikia fizikoje, biologijoje ir kitose mokslo srityse. Geras pavyzdys yra dideli varnėnų būriai. Kiekvienas varnėnas
bendrauja tik su nedideliu kiekiu kaimynų ir nėra vedlio, nurodančio, ką daryti. Tačiau vis tik būrys veikia tarsi visuma ir juda viena kryptimi.
Trumpa kvantinės gravitacijos istorija
Kvantinės gravitacijos teorijos
1. Stygų teorija
apima ne tik gravitaciją, bet ir visas materijos jėgas. Ji remiasi idėja, kad
el. dalelės yra
vibruojančios stygelės.
Erdvėlaikis gali įgauti daugybę skirtingų formų. Pagal kvantinės gravitacijos teoriją tikėtiniausia yra
suvirdurkinta (pagal svorius) forma. Pavyzdžiui, jei visata konstruojama iš trikampių blokų, tai tikrinama, kokias būdais jie jungiami tarpusavyje.
Nors erdvę suprantame kaip tuščią, kartu su laiku turinčią nematomą struktūrą, kuri mus veikia judant (kaip gūbriai
slidinėjant kalno šlaitu). Tą struktūrą mes jaučiame kaip gravitacijos jėgą.
Trikampių mozaika: Pvz., biliardo rutulys visą laiką juda tam tikra tiksliai nustatytais trajektorija ir greičiu. Tuo tarpu, tarkim elektrono
judėjimą apibrėžia kvantiniai dėsniai, pagal kuriuos yra gana platus padėčių ir greičių vienalaikiškumas. Kai
elektronas juda iš taško A į tašką B, ir kai nėra veikiamas jokių išorinių jėgų, jis ne tiesiog juda tiesiai viena trajektorija,
o juda visomis galimomis trajektorijomis tuo pat metu. Super-perstatos idėją suformulavo Nobelio premijos
laureatas Ričardas Feynmanas.
Remiantis šia prielaida galima paskaičiuoti elektrono buvimo tam tikroje pozicijoje judant tam tikru greičiu
tikimybę. El. dalelių nukrypimai nuo tiesaus kelio vadinami kvantinėmis fluktuacijomis.
Kuo mažesnės apimties fizinė sistema, tuo svarbesnės tos fluktuacijos.
Euklidinė kvantinė gravitacija super-perstatų principą taiko visai Visatai. Tačiau šįkart imama ne visi įmanomi
keliai, o visi įmanomi būdai, kuriais, laikui bėgant, galėjo vystytis Visata, - atskiru atveju, įvairios įmanomos erdvėlaikio
formos. Teorija gerokai pasistūmėjo į priekį 9-10 dešimtmečiais, kai atsirado galimybė panaudoti galingas
kompiuterines simuliacijas. Tuose modeliuose iškreivintas erdvėlaikis buvo perteikiamas kaip sudarytas iš mažyčių
blokų, kurie, del patogumo, laikomi trikampiais, mat tokius galima nesunkiai aproksimuoti lenktais paviršiais.
Erdvėlaikiui elementarūs sudedamieji blokai yra keturmačiai trikampių apibendrinimai, vadinami keturmačiais
simpleksais, kuriuos suklijuojant jų veidais (kurie iš tikro yra trimačiais tetrahedrais) ir gaunamas erdvėlaikis.
Smulkučiai blokeliai neturi tiesioginės fizikinės prasmės jų neišvysime ir su galingiausiais mikroskopais.
Vienintelė fizikinė sąsaja kyla iš bendros elgsenos , įsivaizdavus kad kiekvieno tokio bloko dydis traukiasi link nulio.
Ribiniu atveju visai nesvarbu, ar tas blokas yra trikampis, keturkampis, penkiakampis ar turime mišrius
daugiakampius. Tokia nepriklausomybė nuo formos vadinama universalumu.
Susiraukšlėjimas
Kompiuterinių simuliacijų pagalba teoretikai ėmė tirti erdvėlaikių formų, kurių klasikinė reliatyvumo teorija neturi,
super-perstatų efektus ypač joms esant nepaprastai kreivomis prie nepaprastai mažų dydžių. Šis vadinamasis
neperturnatyvinis režimas ypač domina fizikus.
Tačiau tos simuliacijos atskleidė, kad euklidinė kvantinė gravitacija aiškiai neturi svarbaus elemento. Jie nustatė,
kad keturmačių visatų neperturnatyvinės super-perstatos yra nepaprastai nestabilios. Kvantinės mažų dydžių
fluktuacijos, pritaikius dideliems mastams, nesukuria įprastinių klasikinių visatų. Jos veržiasi sudaryti mažyčius
rutulius su begale matavimų. Tokiose erdvėse taškai yra labai arti vienas kito, net jei pradinė erdvė ir turėjo ypač
didelę apimtį. O kai kuriais atveais erdvė įgauna kitą kraštutinumą, kai ji tampa be galo plona ir ištįsusi, tarsi polimerų plėvelė.
Prieš pažiūrėdami, kas atvedė fizikus į akligatvį, panagrinėkime rezultatą. Iš keturmačių blokų gavome arba
begalinį matavimų kiekį (susiraukšlėjusi, suniurkyta visata) arba du matavimus (polimerinė visata). Taigi netgi
matavimai tapo kintamu dydžiu. Tai geras penas fantastikai, kurioje prigijo sliekangių
(kirmgraužų) idėja kelio tarp tolimų visatos sričių sutrumpinimai. Jos ypač patrauklios todėl, kad leidžia keliauti laike bei greitą keliavimą
tarp nutolusių, tačiau artimai sujungtų sričių.
Tada aptikta, kad į teoriją reikia įtraukti priežasties-pasekmės aspektą. Tai reiškia, kad net tuščias erdvėlaikis turi
struktūrą, leidžiančią nustatyti priežastį ir pasekmę. Pats epitetas euklidinė reiškė, kad nedaromas skirtumas tarp
laiko ir erdvės. S. Hokingas
ir kiti teigė, kad laikas tėra vaizduotės vaisius, tiek matematine, tiek sveiko proto prasme.
Jie tikėjosi, kad priežastingumas išsirutulios iš mikroskopinio masto pereinant prie makroskopinio. Tačiau kompiuteriai sutraiškė tą viltį.
1998 m. įvestas naujas modelis pavadintas priežastinėmis dinaminėmis trianguliacijomis. Pirmiausia
kiekvienam simpleksui priskiriama laiko kryptis. Tada simpleksai klijuojami taip, kad atitiktų laiko kryptys. Toks erdvėlaikis
išlieka vientisu jis nesubyra į atskirus gabalus ir jame nesusidaro sliekangės. 2004 m. buvo atliktos pirmosios kompiuterinės simuliacijos.
Erdvėlaikis dideliu mastu
Simuliacijos, įvedant vadinamąją kosmologinę konstantą, parodė, kad gautas erdvėlaikis turi tai, ką fizikai vadina
de Sitter geometrija4), kuri yra tikslus Einšteino lygčių sprendinys visatai, kuri neturi nieko, išskyrus kosmologinę konstantą.
Tikrai nepaprasta, kad iš esmės atsitiktinai surenkant mikroskopinius statybinius blokelius (nežiūrint
jokios simetrijos ar kokios geometrinės struktūros) gauname erdvėlaikį, kuris imant didelius mastelius turi
labai simetrinę de Sitter visatos formą.
Buvo atlikta ir difuzijos proceso simuliacija, t.y. turinčio panašumą į rašalo lašo kritimą į visatų super-perstatą stebint,
kaip jis paplinta veikiant kvantinėms fliuktuacijoms. Matuojant rašalo debesėlio dydį konkrečiais laiko momentais
galima nustatyti erdvės matavimų kiekį. Rezultatas verčia pasukti galvą matavimų skaičius priklauso nuo mastelio.
Kitaip sakant, erdvėlaikis turi kitą matavimų kiekį kai leidžiama difuzijai vykti trumpai ir kai ilgai. Pasirodo, kad visata
turi kažką, kas primena fraktalus (tai keista erdvės forma, kurioje dydžio koncepcija neegzistuoja, t.y.,
jos atrodo vienodai bet kuriu mastu). Visai kitokie erdvės matavimai Kasdieniniame gyvenime matavimų kiekis yra minimaliai būtinas objekto padėčiai erdvėje nustatyti: ilguma, platuma ir aukštis. Tada erdvė yra glotni ir
paklūsta klasikinės mechanikos dėsniams. Skirtingi matavimų skaičiavimai duoda skirtingus skaičius, nes atsižvelgia į skirtingus erdvės geometrijos aspektus. Kai kurioms geometrinėms figūroms matavimų kiekis gali netgi nebūti pastovus. Kvantinės gravitacijos simuliaijos renkasi spektrinį matavimą jose įsivaizduojama mažytės dalelytės įkritimas į vieną statybinį kvantinio erdvėlaikio bloką. Jame dalelytė juda atsitiktinai. Fraktaliniai matavimai
Apibendrinti matavimų apibrėžimai Hausdorfo matavimas remiasi kaip srities tūris V priklauso nuo jos tiesinio dydžio r. Įprastinei trimatei erdvei V yra proporcionalus r3. Laipsnis nurodo matavimų skaičių. Spektrinis matavimas nusako, kaip objektai juda per terpę laiko atžvilgiu ar tai rašalo dėmė vandenyje, ar epidemija tarp gyventojų. Kiekviena vandens molekulė (gyventojas) turi tam tikrą kiekį artimiausių kaimynų, kurių kiekis nusako plitimo greitį. Trimatėje erdvėje rašalo lašas plinta laike 3/2 laipsniu. To tarpu Sierpinskio tarpinėje plitimas būtų lėtesnis 0,6826 laipsniu, kas duoda (padvigubinus) ,3652 spektrinį matavimą. Kvantinės keistenybės Benas Schumacheris2) siūlo, kad objektai paprastai keliauja kaip bangos, o nusileidžia kaip daiktai. O informacija gali keliauti atgal laike. Stephen Hawkingo holografinė juodųjų skylių teorija leido garuoti juodosioms skylėms. 20 a. pabaigoje mūsų pasaulis stipriai skaitmenizavosi. Ir imta teigti, pvz., Matthew Raspanti3), ar nėra taip, kad gyvename skaitmeniniame pasaulyje (taip pat skaitykite Ar mūsų Visata nėra simuliacija?). Jo darbais paremtame filme Matrica buvo galima gauti magiškas galias pasinaudojus smulkiomis virtualiosios tikrovės programavimo klaidomis. Gali būti, kad mūsų pasaulio cheminės ir fizinės medžiagų savybės nebuvo tobulai užprogramuotos, o dėl to atsiranda galimybės stebuklams ir kitiems neįprastiems reiškiniams. Vienas neįprastų atradimų yra Nobelio premijos laureato
Frank Wilczeko1) Erdvėlaikio kristalai.
Neseniai atsirado paminėjimų, kad griežtos kristalų struktūros kartais leidžia kvantinius efektus
stambiuose kietuose kūnuose, pvz., du deimantai su susijusiomis būsenomis ar deimantų panaudojimas
kvantiniuose kompiuteriuose. Sklinda gandai, kad F. Wilczekas gali kurti 4D kristalus, galinčius sietis su kitais taškais erdvėlaikyje, galbūt net ateityje ar praeityje. Daugiamačiai kristalai, esantys nežinomuose matavimuose, nėra toks jau naujas dalykas. 4D kvazikristalai leidžia teflono gaminiams įgauti jų nelipnumo savybes. Ar neteks ateities mokslininkams tirti magiškus rutulius ir lazdeles? Štai musulmonų mečetėse yra raštų, panašių į sutinkamus kvazikristaluose. Gal tas paslaptis sužinojo tamplieriai? Trumpos biografijos ir pastabos:
1) Frenkas Vilčekas (Frank Anthony Wilczek, g. 1951) amerikiečių matematikas,
fizikas-teoretikas, Nobelio premijos fizikos srityje laureatas (2004) už bendrą
(su D. Grosu ir D. Politceru) asimptotinės laisvės stipriosiose sąveikose atradimą (1973), - kuo arčiau vienas kito kvarkai, tuo
silpnesnė stiprioji sąveika (arba apsikeitimas spalvomis). Kai kvarkai ypatingai arti vienas kito,
branduolinės jėgos tokios silpnos, kad kvarkai elgiasi beveik kaip laisvos dalelės. Šis atradimas buvo svarbus kvantinės chromodinamikos vystymuisi. Šiuo metu F. Vilčekas užsiima šiais klausimais: ryšių tarp teorinių ir stebimų reiškinių nustatymu; materijos elgsena ekstremaliomis sąlygomis (temperatūros, tankio, fazinės struktūros); el. dalelių pritaikymu kosmologijoje; kvantine juodųjų skylių teorija ir kt. 2005 m. nusifilmavo humoristinio serialo Penas ir Teleris serijoje Niekai, kurios veiksmas susijęs su vaiduoklių medžiokle, o F. Vilčekas vaidina ekspertą, siekiantį paneigti paranormalų pseudomokslą. 2) Benas Šumacheris (Benjamin Schumacher) amerikiečių fizikas-teoretikas, daugiausia dirbantis kvantinės informacinės teorijos srityje. Įvedė būdą, leidžiantį kvantines būsenas interpretuoti kaip informaciją (Šumacherio kompresija). Taipogi jis įvedė kubito (qubit) tradicinio bito atitikmenį kvantiniuose skaičiavimuose. Parašė knygą Erdvėlaikio fizika (2005) apie specialiąją reliatyvumo teoriją. 3) Matthew Raspanti (g. 1924) amerikiečių informatikas, 36 m. dirbęs Bell Labs, knygos Virtualioji visata (1998) autorius. 4) De Siterio modelis (arba geometrija, pasaulis ar visata) kosmologinių
modelių klasė, bendrosios reliatyvumo teorijos lygčių su kosmologine konstanta sprendiniai, kurie aprašo
vakuumo būseną. Vakuumo savybės priklauso nuo konstantos ženklo ir jos smarkiai skiriasi nuo tuščio
vakuumo. Modelius su neigiama konstanta įprasta vadinti anti de Siterio modeliais. Pirmąkart tokio tipo modelį įvedė Vilemas de Siteris. De Siterio modeliuose Visata aprašoma kosmologine konstanta, nekreipiant dėmesio į šaltos materijos indėlį bei spinduliavimą. Laikoma, kad jie aprašo Visatą ankstyviausiose plėtimosi stadijose (žr. infliacinį Visatos modelį). 5) Hardžio paradoksas - L. Hardžio 1992-ais pasiūlytas mintinis eksperimentas kvantinėje mechanikoje, kurio metu el. dalelė ir antidalelė gali sąveikauti nesianihiliuodamos tarpusavyje. Eksperimentai, naudojantys silpnąjį matavimą, nagrinėjo poliarizuotų fotonų sąveiką ir parodė, kad reiškinys įvyksta. Tačiau tuose eksperimentuose buvę įvykiai tegali būti išvesti tik kaip tikimybinis banginis kolapsas. Tie silpni matavimai laikomi pačiais stebėjimais, taigi ir bangos kolapso priežastimi, todėl objektyvūs rezultatai yra tik tikimybinė funkcija, o ne fiksuota realybė. Tačiau kruopšti eksperimento analizė parodė, kad Hardžio paradoksas tik įrodo, jog lokali slapto kintamojo teorija negali egzistuoti, tad negali būti teorijos, kuri laikytų, kad sistema atitinka tikrovės būsenas, nepaisant sąveikos su matavimo prietaisu. Tai patvirtina, kad kvantinė teorija tam, kad atitiktų eksperimentus, turi būti ne lokali ir kontekstinė. 6) Liusjenas Hardis (Lucien Hardy, g. 1966 m.) - britų kilmės kanadiečių fizikas teoretikas, geriausiai žinomas darbais kvantinės fizikos pagrindimo darbais, tame tarpe ir Hardžio paradoksu (1992) bei indėliu į kvantinių laukų teoriją siekiant kvantinę mechaniką suderinti su bendrąja reliatyvumo teorija. 2001 m. paskelbė straipsnį Kvantinė teorija iš penkių pagrįstų aksiomų, kuriame siūlė aksiomatinį kvantinės teorijos pertvarkymą vėliau juo remiantis kiti tyrinėtojai pasiūlė savus variantus. 7) Tokamakas (santrumpa iš rus. teroidinė kamera su magnetinėmis ritėmis) - riestainio formos, magnetinį lauką sukuriantis įrenginys, skirtas plazmos sulaikymui, vykstant termobranduolinei sintezei. Išrastas 1950 m. I. Tamo ir A. Sacharovo ir 1968 m. išbandytas Novosibirske. Literatūra:
Papildomai skaitykite:
|